CN112763058A - 一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统及方法 - Google Patents

一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统及方法 Download PDF

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张嵩阳
王磊磊
张健壮
万迪明
王东晖
王广周
姚德贵
吕中宾
任定一
汲胜昌
祝令喻
田旭
聂京凯
王枭
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Abstract

本发明公开了一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统和方法，所述系统包括采集前端、数据采集仪、通讯总线、交互终端和供电电源，所述采集前端，为自定义坐标声学传感器阵列，用于对噪声信号进行实时采集；所述数据采集仪，用于对采集前端采集的噪声信号进行预处理，并利用其包含的FPGA运算模块，对预处理得到的数据进行计算，得到阵列声学云图与光学云图匹配的实时成像结果；所述实时成像结果通过通讯总线传输至交互终端并显示；所述通讯总线，用于实现系统数据的传输通讯；所述交互终端，用于交互指令下发以及声学成像结果的显示。本发明能够减少采集的噪声信号因距离和标准阵列形式带来的影响，加快声学云图与光学云图匹配。

Description

一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统及方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，更具体地说，特别涉及一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统及方法。
背景技术
实时成像技术，是一种X射线无损检测方法。其通过屏幕实时显示检测结果图像，利用该图像对检测对象材料进行定性、定量的分析、判断和评估，从而得到检测结果。
噪声信号处理时，现有快速实时成像技术多数是应用于标准阵列上，但标准阵列总体上存在一些问题，比如传感器阵列的位置，传感器的数量等会造成信号的信噪比低、算法处理难度大等问题。而目前基于非标准的自定义阵列的信号处理模式，基本上都是将数据采集后再进行成像结果的计算与匹配，如此方式计算时间较长，无法快速得到阵列声学云图与光学云图匹配结果。因此，进行快速的实时数据分析是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提出一种自定义坐标阵列实时数据分析系统，系统基于FPGA进行信号处理，形成实时声学云图，快速得出匹配结果。
本发明采用如下的技术方案。
一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，包括采集前端、数据采集仪、通讯总线、交互终端和供电电源；
所述采集前端，为自定义坐标声学传感器阵列，用于对噪声信号进行实时采集；
所述数据采集仪，用于对采集前端采集的噪声信号进行预处理，并利用其包含的FPGA运算模块，对预处理得到的数据进行计算，得到阵列声学云图与光学云图匹配的实时成像结果；
所述实时成像结果通过通讯总线传输至交互终端并显示；
所述通讯总线，用于实现系统数据的传输通讯；
所述交互终端，用于交互指令下发以及声学成像结果的显示。
优选地，所述数据采集仪对采集前端采集的噪声信号进行的预处理包括：放大、滤波及A/D转换。
优选地，所述采集前端为麦克风阵列，即由多个麦克风按照一定的空间几何位置排列组成的阵列，用来采集空间中的声信号并实现滤波。
优选地，所述FPGA运算模块基于相控阵波束形成原理计算得到声学云图，并以采集测量中同步记录的可见光图像为背景，通过几何配准将声学云图与可见光图像叠加，得到声学成像结果。
优选地，所述交互指令包括系统的启动、停止和参数设置。
本发明还公开了一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，包括以下步骤：
步骤1，根据实际现场需求对自定义坐标阵列排布的采集前端进行阵列参数设置，交互终端控制软件将自定义坐标阵列文件导入至数据采集仪硬件内部；
步骤2，采集前端实时采集噪声信号并传输至数据采集仪；
步骤3，数据采集仪预处理噪声信号，并通过FPGA运算模块进行计算，得到实时成像结果；
步骤4，实时成像结果通过通讯总线传输到交互终端进行显示。
优选地，步骤1所述阵列参数包括几何参数和特征参数；
所述几何参数包括阵元间距、阵元空间几何形式、阵列孔径大小和阵元数目；
所述特征参数包括阵列的指向性、主瓣宽度、旁瓣大小和空间分辨率。
优选地，步骤3中，FPGA运算模块的成像方法为：
步骤3.1，FPGA运算模块读取已导入至数据采集仪内部的阵列坐标，并将坐标代入至底层运行程序中，对声发射表面进行网格划分，基于声波到不同声学传感器的传播时间，结合几何运算获取各网格节点到各声学传感器的声音传播时延，并根据声音传播时延，对采集的声波信号进行重构处理，得到重构声波信号；
步骤3.2，对重构声波信号和初始声波信号进行叠加处理，得到声学云图；
步骤3.3，根据声学云图和光学云图进行几何配准，生成声发射表面的声学成像结果。
优选地，步骤3.2中，声学云图的各网格点的波束形成计算后输出的声压值计算表达式为：
Figure BDA0002887371400000031
式中，B为波束形成计算后输出的声压值，d为声源与声音传感器之间的距离，t表示采样时间，M为声学传感器数量，wl为第l号声学传感器的加权系数，pl(ω)为第l号声学传感器接收到信号，
Figure BDA0002887371400000032
为重构信号，ω表示声音的圆频率，Δtl为第l号声学传感器与参考声学传感器之间的时间延迟，j表示复数。
本发明的有益效果包括：
1、采用自定义坐标声学传感器阵列，根据现场实际需要，对声学传感器进行不同坐标排布，并根据排布情况生成阵列坐标文件，能够减少采集的噪声信号因距离和标准阵列形式带来的影响；
2、FPGA运算模块快速读取阵列坐标，并将坐标代入至底层运行程序中，将实时采集得到的数据进行计算，得到实时成像结果，并通过通讯总线输出至交互终端进行显示，加快了声学云图与光学云图匹配。
附图说明
图1为本发明提出的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统及方法的结构示意图；
图2为本发明阵列空间几何形式示意图；
图3为本发明阵列动态范围指标示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，包括采集前端、数据采集仪、通讯总线、交互终端和供电电源；
所述采集前端，为自定义坐标声学传感器阵列，用于对噪声信号进行实时采集；
本发明具体实施例中，所述采集前端为麦克风阵列，即由多个麦克风按照一定的空间几何位置排列组成的阵列，用来采集空间中的声信号并实现滤波。
在进行噪声采集时，麦克风的数量可以根据实际需要进行选择，且麦克风的坐标排布可根据实际需要进行不同坐标排布，缩短了成像测量花费的时间，加快了成像速度，提高了成像效率。
所述数据采集仪，用于对采集前端采集的噪声信号进行放大、滤波及A/D转换等预处理，并利用其包含的FPGA运算模块，对预处理得到的数据进行计算，得到阵列声学云图与光学云图匹配的实时成像结果；
其中，数据采集仪的数据通道为声学传感器数量相同，图1所示为64通道。
所述FPGA运算模块基于相控阵波束形成原理计算得到声学云图，并以采集测量中同步记录的可见光图像为背景，通过几何配准将声场分布云图，即声学云图与可见光图像叠加，得到声学成像结果。
所述阵列声学云图，即在被测物体发声表面上通过相控阵波束形成算法重构出的声信号声压级分布结果。
所述光学云图，即摄像头拍出的可见光图像。
所述通讯总线，用于实现系统轻量化处理的数据信息传输和指令的交互，实时成像结果通过通讯总线传输至交互终端并显示；
更具体地，通讯总线为以太网或数据连接线的其中一种。
所述交互终端，用于交互指令下发以及声学成像结果的显示，交互指令包含但不限于系统的启动、停止、参数设置，参数设置如成像频率范围、成像动态范围、采样率等。
本发明还提出一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，包括以下步骤：
步骤1，根据实际现场需求对自定义坐标阵列排布的采集前端进行阵列参数设置，交互终端控制软件将自定义坐标阵列文件导入至数据采集仪硬件内部；
所述阵列参数包括几何参数和特征参数；
所述几何参数包括阵元间距、阵元空间几何形式、阵列孔径大小和阵元数目等；
所述特征参数包括阵列的指向性、主瓣宽度、旁瓣大小和空间分辨率等。
阵元间距决定了阵列可识别声源频率的范围；
阵元空间几何形式使得阵列具有了不同的主瓣宽度和旁瓣数级；
阵列孔径影响阵列对低频声源的响应，孔径尺寸越大，可以测得的声源频率就越小，其次孔径越小的阵列空间分辨也越低；
阵列的排列方式需要考虑积极性与实用性，合理的阵列结构可以使得在麦克风数量一定的情况下获得较高的阵列性能。在实际应用中，综合器材及需求等因素，需要合理的选取阵列参数，比较不同的阵列形状，选择一个性能较好的拓扑结构。
如图2-3所示，常用的阵列空间几何形式有十字形、矩形、环形以及轮辐形，轮辐形阵列动态范围指标最好，即旁瓣干扰小，抗干扰能力最好。
步骤2，采集前端实时采集噪声信号并传输至数据采集仪；
步骤3，数据采集仪预处理噪声信号，并通过FPGA运算模块进行计算，得到实时成像结果；
包括信号放大、滤波及A/D采样模块，各路经过调理放大的噪声信号经A/D转换后变为数字信号传输到FPGA运算模块。
数据采集仪内的FPGA运算模块对采集到的噪声数据进行实时读取，并进行计算，得到实时成像结果；
实时成像计算程序已烧录至FPGA运算模块中，FPGA运算模块读取已导入至数据采集仪内部的阵列坐标，并将坐标代入至底层运行程序中，将实时采集得到的数据进行计算，得到实时成像结果；
FPGA运算模块的成像方法为：
步骤3.1，FPGA运算模块读取已导入至数据采集仪内部的阵列坐标，并将坐标代入至底层运行程序中，对声发射表面进行网格划分，基于声波到不同声学传感器的传播时间，结合几何运算获取各网格节点到各声学传感器的声音传播时延，并根据声音传播时延，对采集的声波信号进行重构处理，得到重构声波信号；
具体地，将声发射表面划分为细密的网格点，这些网格点在空间中都有确定的坐标位置，由于阵列中的声学传感器位置不同，因此声发射源传播到每个声学传感器的时间存在时间延迟，假设声发射面上划分好的每一个网格点都是声源，基于时间延时原理进行信号重构。
步骤3.2，对重构声波信号和初始声波信号进行叠加处理，得到声学云图；
具体地，可以采用本领域任意一种技术手段对重构声波信号和初始声波信号进行叠加处理，需要说明的是，云图中数值最大的点即为声源位置，声学云图的各网格点的波束形成计算后输出的声压值计算表达式为：
Figure BDA0002887371400000061
式中，B为波束形成计算后输出的声压值，d为声源与声音传感器之间的距离，t表示采样时间，M为声学传感器数量，wl为第l号声学传感器的加权系数，pl(ω)为第l号声学传感器接收到信号，
Figure BDA0002887371400000062
为重构信号，ω表示声音的圆频率，Δtl为第l号声学传感器与参考声学传感器之间的时间延迟，j表示复数。
步骤3.3，根据声学云图和光学云图进行几何配准，生成声发射表面的声学成像结果。
步骤4，实时成像结果通过通讯总线传输到交互终端进行显示。
更具体地，交互终端显示阵列声学云图与光学云图匹配结果。
与现有技术相比，本发明中采用声学传感器自定义坐标排列的方式进行排布，操作时仅需将声学传感器坐标通过控制软件按顺序输入至硬件系统即可，缩短了成像测量花费的时间，加快了成像速度，提高了成像效率。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，包括采集前端、数据采集仪、通讯总线、交互终端和供电电源，其特征在于：
所述采集前端，为自定义坐标声学传感器阵列，用于对噪声信号进行实时采集；
所述数据采集仪，用于对采集前端采集的噪声信号进行预处理，并利用其包含的FPGA运算模块，对预处理得到的数据进行计算，得到阵列声学云图与光学云图匹配的实时成像结果；
所述实时成像结果通过通讯总线传输至交互终端并显示；
所述通讯总线，用于实现系统数据的传输通讯；
所述交互终端，用于交互指令下发以及声学成像结果的显示。
2.根据权利要求1所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，其特征在于，所述数据采集仪对采集前端采集的噪声信号进行的预处理包括：放大、滤波及A/D转换。
3.根据权利要求1所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，其特征在于，所述采集前端为麦克风阵列，即由多个麦克风按照一定的空间几何位置排列组成的阵列，用来采集空间中的声信号并实现滤波。
4.根据权利要求1所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，其特征在于，所述FPGA运算模块基于相控阵波束形成原理计算得到声学云图，并以采集测量中同步记录的可见光图像为背景，通过几何配准将声学云图与可见光图像叠加，得到声学成像结果。
5.根据权利要求1所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统，其特征在于，所述交互指令包括系统的启动、停止和参数设置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析系统的噪声信号实时数据分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据实际现场需求对自定义坐标阵列排布的采集前端进行阵列参数设置，交互终端控制软件将自定义坐标阵列文件导入至数据采集仪硬件内部；
步骤2，采集前端实时采集噪声信号并传输至数据采集仪；
步骤3，数据采集仪预处理噪声信号，并通过FPGA运算模块进行计算，得到实时成像结果；
步骤4，实时成像结果通过通讯总线传输到交互终端进行显示。
7.根据权利要求6所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，其特征在于，步骤1所述阵列参数包括几何参数和特征参数；
所述几何参数包括阵元间距、阵元空间几何形式、阵列孔径大小和阵元数目；
所述特征参数包括阵列的指向性、主瓣宽度、旁瓣大小和空间分辨率。
8.根据权利要求7所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，其特征在于，所述阵列空间几何形式包括十字形、矩形、环形以及轮辐形。
9.根据权利要求6所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，其特征在于，步骤3中，FPGA运算模块的成像方法为：
步骤3.1，FPGA运算模块读取已导入至数据采集仪内部的阵列坐标，并将坐标代入至底层运行程序中，对声发射表面进行网格划分，基于声波到不同声学传感器的传播时间，结合几何运算获取各网格节点到各声学传感器的声音传播时延，并根据声音传播时延，对采集的声波信号进行重构处理，得到重构声波信号；
步骤3.2，对重构声波信号和初始声波信号进行叠加处理，得到声学云图；
步骤3.3，根据声学云图和光学云图进行几何配准，生成声发射表面的声学成像结果。
10.根据权利要求9所述的一种自定义坐标阵列噪声信号实时数据分析方法，其特征在于，步骤3.2中，声学云图的各网格点的波束形成计算后输出的声压值计算表达式为：
Figure FDA0002887371390000021
式中，B为波束形成计算后输出的声压值，d为声源与声音传感器之间的距离，t表示采样时间，M为声学传感器数量，wl为第l号声学传感器的加权系数，pl(ω)为第l号声学传感器接收到信号，
Figure FDA0002887371390000022
为重构信号，ω表示声音的圆频率，Δtl为第l号声学传感器与参考声学传感器之间的时间延迟，j表示复数。
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